聚点原理
数学术语
聚点原理(accumulative point principle)亦称外尔斯特拉斯定理,或波尔查诺-外尔斯特拉斯定理,刻画实数系R的连续性的常用命题之一。它断言:R(Rn或度量空间)的每个有界无穷子集至少有一个聚点。它是外尔斯特拉斯(K.(T.W.).Weierstrass)于1860年得到的,在他的证明中采用了波尔查诺(Bolzano,B.)首创的对分法
定理及证明
定理有界无穷点集至少有一个聚点(极限点)。
此定理叫做聚点原理。
证明: 将包含在中心位于原点,各边平行于坐标轴的正方形内,若没有聚点,则对于中每一点z,存在这样一个邻域使得在这个邻域内只含的有限个点,且这些邻域的全体将复盖住,由有限覆盖定理,在这些邻域中只要有限个邻域就将复盖住(当然是有界闭集)。这样一来,点集也只有有限个点属于,这与为无穷点集而又完全包含在k内相矛盾。从而定理成立。
聚点的定义
任给存在无穷多个满足
则称为复数序列的一个聚点。
有的序列可以有多个聚点。例如,实数序列
就有两个聚点1和-1.当序列的极限存在时,序列的极限是此序列的唯一聚点。
推论及证明
推论
在扩充复平面上每一个无穷点集至少有一个聚点(有限点或无穷远点)。
推论证明
根据假设,对于E来说,只有两种可能,或者存在某一个圆域:它含有E的无穷多个点,因而含有E的聚点(由聚点原理得知) ,或者在每一个圆域内只有E的有限个点,此时在无穷远点的任意邻域: 内有E的无穷多个点,因此,点是E的聚点,从而推论得证。
规定在一个数列中如有某数重复出现无穷多次,则该数也看作数列的聚点,例如数列中0 是一个聚点,由于1在数列中出现无穷多次,故1也是聚点。按照这个规定,显然任何有界无穷数列必至少有一个聚点。
有限覆盖定理
闭集
先介绍闭集的概念。
如果点集E包含它的所有聚点在内,则称E为闭集。
定理介绍
海恩-波莱尔定理(Heine-Borel)假设E为有界闭集,且对E内每一点z都作一个以这一点为圆心的圆域(这个圆的半径没有限制,它可以取任意正实数),则在这些圆中必可以找到有限多个来把有界闭集E复盖住,换句话说,E的每一点至少属于这有限个圆域中的一个圆域的内部。此定理又叫做有限覆盖定理,它是复变函数论里的重要定理。
下面应用数学分析中的矩形套定理来证明有限覆盖定理。
证明: 如果E是有限集,定理显然成立。
设E是无限集,则我们用反证法来证明,设Q1为一个各边平行于坐标轴,以坐标原点为中心的正方形,并且将E包含在内,若定理不成立,则将Q1分成四个全等的正方形时,在这四个正方形上的E的四个子集中至少有一个不能用上述有限个圆心属于E的圆域所复盖,我们把这个子集所在的正方形记为Q,并且再把它用同样方式分成四个全等的正方形,同样,我们又得到一个正方形Q3,继续这种分法,我们得到Qn,它包含E的一部分,而且对这一部分来说,我们的定理是不成立的,也就是说,E的这一部分必须用无穷多个圆Kz才能复盖住,但因这些正方形组成了一个闭正方形套(特殊的矩形域套) :
并且它们的对角线的长分别为
因此,。
根据闭矩形套定理,存在唯一一点属于所有这些正方形,于是当n充分大时,在的任一个邻域必须包含正方形Q,因而也就包含着E的点,并且是无穷多个点,不然的话,E的这个子集能够被有限个圆所复盖住,但这是不可能的。所以为E的聚点,因为E为闭集,所以属于E,设圆的半径为,选这样大的一个n,使得正方形的对角线的长小于,于是我们得到所有属于的E的点都被圆所复盖住,但是根据我们最初的假设,必须有无穷个圆才能把它们复盖住,这是个矛盾,从而定理得证。
有限覆盖定理的逆定理也成立。
参考资料
最新修订时间:2024-03-06 19:45
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定理及证明
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